大型半圆体及齿形构件新型吊具研制及应用

2020/2/16大型半圆体及齿形构件新型吊具研制及应用目录一、立项背景二、相关技术内容及创新点三、取得知识产权情况四、存在问题及改进措施五、应用推广与社会经济效益情况六、结语一、立项背景长江南京以下12.5m深水航道一期工程通州沙Ⅱ标段中半圆体构件共290个，其中A型280个，单个重量为183吨，B型10个，单个重量为196吨；齿形构件共207个，其中A型123个，单个重量为130吨，B型84个，单个重量为155吨。半圆体断面图齿形构件断面图一、立项背景本工程所处长江水域潮差大，水流急，涨落潮流对水上构件安装施工影响较大，通过新型吊具的研制应用及合理选取施工工艺使构件安装效率及安装精度比以往有了很大的提升。半圆体混合堤齿形构件混合堤二、相关技术内容及创新点本工程大部分构件顶面高潮时淹没，低潮时出水，通过对潜水员水下放线安装工艺、利用测量平台安装工艺以及趁低潮直接安装工艺三个方案从施工效率、安装精度、人工、船机设备投入情况，以及根据现场实际整平效率情况最终确定：1、齿形构件安装采用趁低潮直接安装工艺为最佳方案；2、半圆体安装采用趁低潮直接安装工艺与利用测量平台安装工艺相结合的方案；趁低潮安装工艺为半圆体顶面露出水面时测量员直接在构件顶面进行轴线控制，利用测量平台安装工艺为当半圆体顶面被水淹没，水深在50cm以内时，采用在吊具上设计的测量平台上进行轴线控制。齿形构件趁低潮直接安装利用测量平台安装半圆体二、相关技术内容及创新点本工程选用400吨全回转起重船，起重船原为双主钩，为提高安装效率，每个船位可横跨5个半圆体位置，可不动船位直接通过旋转吊杆及拉晃绳调整构件位置，为了使构件能够旋转，将起重船双主钩通过一个可旋转的450t大钩并为单钩。双主钩并为单钩二、相关技术内容及创新点在半圆体及齿形构件吊架两端栓两根晃绳，将晃绳栓在起重船船头左右两台锚机的卷筒上，通过转动卷筒拉动晃绳精确控制块体位置。通过锚机拉动晃绳二、相关技术内容及创新点半圆体吊具介绍半圆体吊具主要由6部分组成：1、吊具门架2、吊钩3、楔形定位针4、主吊索5、脱钩索6、测量平台6测量平台4主吊索5脱钩索1吊具门架3楔形定位针2吊钩二、相关技术内容及创新点半圆体吊具中的创新点：1、楔形定位装置该吊具为双点吊设计，受水流和波浪力作用半圆体较容易晃动，通过在吊架的两个相对顶点处设置楔形定位装置确保构件稳定，吊装前，将定位装置插入半圆体顶面的消浪孔后，吊钩就会自动对准吊孔完成挂钩，如此顺序定位吊装比直接将吊钩移动至侧面吊孔快捷准确。对现场存放半圆体进行二次调整时，使用传统吊具时需依靠潜水水下指挥挂钩，效率较低，本吊具起重工可直接在半圆体上指挥吊机将楔形定位装置对准定位孔，完成挂钩。半圆体吊装二、相关技术内容及创新点楔形定位装置内部设置有弹簧7，起吊时可通过弹簧的缓冲作用降低半圆体与吊具之间的刚性受力来进行调节平衡，由于楔形定位装置的限位作用，半圆体起吊平稳；入水后也因为有了楔形定位装置的限位作用，使得半圆体在水中不易摇摆，平衡性好，提高了半圆体在施工过程中的挂钩效率及安全性。楔形定位装置内部构造二、相关技术内容及创新点B型半圆体由于一侧有端墙，重心偏向端墙一侧，吊孔位置也发生改变，为了本吊具同时适用于B型半圆体，定位针与吊具间通过螺丝连接，当吊B型半圆体时在定位针和吊具中间设置一块定位钢板，使定位针的位置同时偏向有端墙的一侧，与B型半圆体相应的消浪孔位置对应。加定位板的B型半圆体楔形定位装置A型半圆体楔形定位装置二、相关技术内容及创新点2、测量平台：在半圆体吊架上设计了一个测量平台，当半圆体顶面被水淹没水深在50cm以内时，测量人员可用GPS测平台的两端中点进行半圆体轴线控制，在平台一侧焊接一个爬梯供测量员上下平台。测量平台二、相关技术内容及创新点3、半圆体吊具上设置水尺：半圆体水下安装时，为避免半圆体对基床造成破坏，垂直于吊架焊接两根标有刻度的水尺，半圆体高5m，假设基床顶标高为a，船上GPS显示实时水位为b，水尺读书为半圆体顶面以上的水尺长度l,当半圆体落至基床顶面时水尺读数l=b-5-a，可根据计算结果判断落钩时半圆体底面距基床高度。水尺二、相关技术内容及创新点半圆体吊具受力计算1）吊钩计算：吊钩材料（Q345）许用弯曲应力[σ]=215N/mm2，许用剪切应力[τ]=129N/mm2按第四强度理论：（σ2+3τ2）0.5=150.72N/mm2[σ]=215N/mm2，因此，吊钩a-a截面满足要求。同理计算验证b-b、c-c、d-d截面均满足要求。2）吊钩轴计算：每根承重轴受力=P=138t；截面直径d=150mm；截面惯性矩I=24837890.63mm4；截面面积A=17662.50mm2；截面剖面模数W=331171.88mm3；吊钩轴材料（45#）许用弯曲应力[σ]=220N/mm2，许用剪切应力[τ]=133N/mm2，剪切应力τ==P/2/A=38.28N/mm2[τ]=133N/mm2，在同一方向受压构件的最小总厚度t=80mm，挤压应力σ=N/(d*t)=112.70N/mm2[σ]=220N/mm2，因此，吊钩轴满足要求。二、相关技术内容及创新点齿形构件吊具中的创新点：1、设置自动脱钩装置脱钩时，拉起脱钩索，拉动活动轴沿滑轨上升，拉动吊钩开合拉杆上升，带动吊钩上的突出部，从而使吊钩从齿形构件上自动脱离。1、吊钩2、撑杆3、吊钩内挂板4、吊钩轴5、承重轴6、吊钩外挂板7、突出部8、吊钩开合拉杆9、活动轴10、滑轨11、吊钩垫板二、相关技术内容及创新点2、吊具上设置水平拉杆：为了安装时能精确调整块体位置，需在吊架两侧绑两根晃绳，由于吊架过窄，为避免晃绳间距过小，降低晃绳使用效果，在吊架两侧各焊接一根水平拉杆，在拉杆两端固定晃绳。齿形构件吊具上的水平拉杆二、相关技术内容及创新点3、齿形构件的棱角刚开始时在挂钩过程中较容易被吊钩碰坏，且挂钩效率低。为解决这一问题，在吊具上易与块体接触的部位用槽钢制作定位装置起到限位作用，如下图所示，且槽钢的固定高度经测量保持在当槽钢卡在构件顶面上时，吊钩刚好落入吊孔内，提高了挂钩效率。齿形构件挂钩二、相关技术内容及创新点齿形构件吊具受力计算1）吊钩计算吊钩材料（Q345）许用弯曲应力[σ]=215N/mm2，许用剪切应力[τ]=129N/mm2按第四强度理论：（σ2+3τ2）0.5=80.35N/mm2[σ]=215N/mm2，因此，吊钩a-a截面满足要求。同理计算验证b-b、c-c、d-d截面均满足要求。2）挂板计算挂板按仅2只吊钩受力的最不利情况计算，每钩受力为104t，由内外挂板共同承担，则每块挂板轴孔处所受剪力：P=104/2=52t；每块眼板受剪面积A=5235.00mm2；挂板材料（Q235）许用弯曲应力[σ]=170N/mm2，许用剪切应力[τ]=100N/mm2。剪切应力τ=P/A=97.34N/mm2[τ]=100N/mm2。因此，挂板剖面满足要求。三、取得知识产权情况国家知识产权局已经授权该半圆体水上安装吊具及齿形构件吊具为实用新型专利四、存在的问题及改进措施1、构件棱角在挂钩和安装时易碰坏，影响外观质量。为了做好成品保护，半圆体、齿形构件在起吊及安装过程中需采取防撞措施（如使用靠球、轮胎、木板等）。两个构件之间安放缝板时，应保持缝板垂直，以免因缝板斜向挤压构件边缘，对块体造成损坏。在半圆体及齿形构件吊具上都设计了限位装置，避免了吊具对构件棱角的损坏。2、对半圆体顶面不露出水面安装进行典型施工时，由于吊钩在水面以下，脱钩时很难辨别吊钩是否完全从吊孔中脱出，脱钩索很容易被拉断。利用半圆体吊具上设计的水尺，可根据水尺的角度大小来判断吊钩是否完全脱出。齿形构件边角保护良好五、应用推广与经济社会效益情况通过吊具创新及安装工艺的改进提高了构件安装效率，从以往每个潮水安装3个提高到最多安装7个，在长江深水航道整治工程中同时进行构件安装施工的白茆沙标段使用传统的四点吊吊具每个半圆体需耗时55分钟，我标段通过采用创新型吊具后单个构件从起吊至安装完成最快仅需35分钟，安装精度将轴线的偏差范围由规范规定的15cm控制到3cm以内，安装过程中混凝土构件基本没有受损，成品保护良好。本标段半圆体吊装白茆沙标段半圆体吊装五、应用推广与经济社会效益情况与使用传统吊具及安装工艺相比，采取本工艺平均每天可多安装3~4个构件，使得实际工期比计划工期提前了一个月，各种船机及其燃油费用节省80万元，且本工艺与潜水水下配合安装相比节省潜水费用84万元。本成果在长江南京以下12.5米深水航道一期工程中得到了很好的应用，节约总费用约164万元。。半圆体安装效果六、结语半圆体、齿形构件安装通过改进吊具及采取各种技术控制措施，轴线安装精度由规范要求的15cm控制到3cm，相比传统工艺安装效率及安装精度都得到很大的提高。其中，齿形构件为新型水工混凝土结构，其在长江南京以下12.5m深水航道一期工程中已经得到了成功应用，本文中对半圆体及齿形构件安装的创新点介绍及工艺总结对以后类似大型构件安装的质量控制及功效提高提供了参考，具有广泛的应用前景。